陀安一郎、申基澈編（2021）同位体環境学がえがく世界：2021 年版

雨から来た窒素を同位体比で追跡する
木庭啓介（京都大学生態学研究センター）

様々な生態系では、生元素の一つである窒素がるアンモニウムイオンに変換する微生物過程）そ

図 1 にあるような様々な過程を受けながら循環しして硝化（硝化菌と呼ばれる特殊な微生物がアンています。たとえば森林を見てみると、森林の大モニウムイオンを酸化して亜硝酸イオンや硝酸イ部分の窒素は有機態窒素の形で土壌に存在し、植オンに変換する微生物過程）を経て生成されない物体には土壌と比較してずっと少ない量が存在しといけない、そして可給態窒素を生成する微生物ているだけです。そしてさらに、土壌中の植物やも可給態を吸収同化する、ということに主な原因

土壌微生物が利用できる窒素（図 1 のアンモニウをもちます。可給態窒素のこの小さな存在量など

ムイオン、硝酸イオン、そして一部の有機態窒素；から考えて、森林にいる植物はその成長においてこれらをまとめて可給態窒素と呼びます）はごく窒素が足りない状態、言い換えると窒素制限下に限られた量しか存在しないことが知られていまあると一般的に考えられています。

す。これは図 1 にあるように可給態窒素は土壌微

このような重要性を持つため、可給態窒素につ生物による無機化（有機態窒素を無機態窒素であいては、古くよりその特徴について多くの研究がなされています。その中でも特に硝酸イオンについては、土壌中で動きやすい性質を持つことから、陸上生態系から流出する時の主な窒素化合物であることが知られています。そのため、どれだけの硝酸イオンが生成されるのか、そしてそれがどれだけ渓流水に溶け込み流出してゆくかを理解する
ことが、森林で循環できる窒素量、そして窒素循環全体を考えるときに大変重要になります。また
一方で、降水により供給される可給態窒素は、森林の中で植物と土壌中の微生物に速やかに利用されてしまい、森林から出てくる窒素は多くはな

図1 窒素循環の概略図。環境中で有機物に含まれる窒素（有機態窒素）は分解（無機化）され
図 1．窒 素循環の概略図。環境中で有機物に含まれるアンモニウムイオン（NH4+）に、さらに硝化菌という特殊な微⽣物により硝酸イオン（NO3-）
い、と考えられてきました。平たく言えば雨由来窒素（有機態窒素）は分解（無機化）されアンに変換される。アンモニウムイオン、硝酸イオン、そして⼀部の有機態窒素は植物や微⽣物に取+り込まれる（吸収同化、特に⼟壌微⽣物による吸収同化を不動化と呼ぶことがある）。酸素の少モニウムイオン（NH4 ）に、さらに硝化菌といの可給態窒素は森林で「きれい」にされる、といない環境では酸素ガスの代わりに硝酸イオンを⽤いた呼吸を微⽣物が⾏い、⼀酸化⼆窒素（N2O）や窒素ガス（Nう特殊な微生物により硝酸イオン（NO2）を放出する脱窒という作⽤がある。また⼤気中の窒素は窒素固定を⾏3 ）に変う微⽣物によってこの循環系に取り込まれるうことになります。

換される。アンモニウムイオン、硝酸イオン、そして一部の有機態窒素は植物や微生物に取り込まれる（吸収同化、特に土壌微生物による吸収同化を不動化と呼ぶことがある）。酸素の少ない環境では酸素ガスの代わりに硝酸イオンを用いた呼吸を微生物が行い、一酸化二窒素（N2O）や窒素ガス（N2）を放出する脱窒という作用がある。また大気中の窒素は窒素固定を行う微生物によってこの循環系に取り込まれるでは、本当に「きれい」になっている、つまり雨の窒素は十分に使い切られているのでしょうか？

ここでは森林から失われる、つまり森林渓流水に含まれる窒素のうち大半を占める硝酸イオンに着目します。渓流水中の硝酸イオンの濃度を計測すると、確かに低い森林もあり、そこでは雨121

陀安一郎、申基澈編（2021）同位体環境学がえがく世界：2021 年版で入ってきた窒素が使われて、図 1 の窒素循環過そして酸素ガスが持つ酸素安定同位体比は比較的程の硝化によって生成された硝酸イオンが植物と低いことが知られているので、それを原料として微生物により利用されることを免れて、ほんの少作られる硝酸イオンの酸素安定同位体比も比較的しだけ流れ出ているのだと思われます。しかし、低い値を取ります（図 2 の下側、緑四角部分）。

測定してみると硝酸イオン濃度が高い森林も実際

一方で、降水由来の硝酸イオンについては、そのにはあります。渓流水中の硝酸イオン濃度の高低

酸素原子の一部が上空大気中のオゾン由来だと考については長年研究がなされてきていますが、実えられています（図 2）。このオゾンですが、実際のところ、その濃度だけをつぶさに測定しては大変高い酸素安定同位体比を持つことが知られいっても、どれだけ降水由来の硝酸イオンが渓流ています（その理由については難しいので今回は水中の硝酸イオンに含まれているかを知ることは割愛します）。そのため、降水由来の硝酸イオンなかなかできません。

は極めて高い酸素安定同位体比を取ることがわ

そこで、安定同位体比の出番です。古くから硝かってきました（図 2 の上側、赤四角部分）。こ酸イオンについてはその窒素安定同位体比が測定の特徴を利用することで、渓流水中の硝酸イオンされていました。古くは肥料由来の硝酸イオンが高い酸素安定同位体比を取るのであれば、降水（肥料は大気窒素から生成されるために、大気の由来の硝酸イオンの割合が高い、というように考窒素と近い値を取ります）と、土壌中の硝化由来えることができると言うことになります。

硝酸イオンを区別することを目的として窒素安定

実際に様々な森林の渓流水を対象として、そこ同位体比の測定が行われたりしています。しかに含まれる硝酸イオンの濃度、そして窒素安定同し、これまで得られているデータを集めてみると、位体比、酸素安定同位体比を測定してみました

降水由来の硝酸イオンの取る窒素安定同位体比（図 3）。濃度が低いものから高いものまで様々なと、土壌中の硝化由来硝酸イオンの取る窒素安定サンプルがありますが、そのほとんどについて、同位体比の範囲は重なってしまっていて（図 2）、図 3 下側の緑四角部分よりデータが上方にありま

渓流水中の硝酸イオンの窒素安定同位体比を測定した。つまり、渓流水硝酸イオンの酸素安定同位しても、降水由来なのか、それとも土壌由来なの体比は、硝化由来の硝酸イオンが取ると思われるかを判定することができませんでした。

酸素安定同位体比よりは高いことがわかります。

2000 年代になって、硝酸イオンの窒素安定同

このことは、雨由来の窒素をきれいにしていると位体比だけでなく酸素安定同位体比も測定する手法が開発され、また、その必要な試料量も劇的に減少したため、現在世界の多くの研究室でその測定が行われるようになってきました（永田・宮島2008）。この新しい測定によりこれまででわかってきたことの 1 つは、窒素安定同位体比では区別が難しかった硝化由来の硝酸イオンと降水由来の硝酸イオンでは、その酸素安定同位体比が大きく異なることです（図 2）。この理由は硝酸イオンにふくまれる酸素原子の由来が異なることにあります。硝化作用（図 1）によって硝酸イオンが生成されるとき、その酸素原子は水そして酸素ガス

図 2．硝 酸イオンの窒素・酸素安定同位体比マップ（Kendall et al. 2007 より一部改訂）。

からくると考えられています（図 2）。これら水122

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ま流れ出してしまう、ということが傾斜の急な森

図3 林では起こりやすいと言うことがあるでしょう。
様々な森林の渓流⽔中に含まれる
また、雨で入ってくる窒素のタイミングと植物や酸イオンの濃度とその窒素・酸素微生物の活性のタイミングが合わないということ定同位体⽐（⽊庭ら、未発表デーもあるかもしれません。傾斜が急な地域と緩い地タ）域、雨が夏に多い地域と冬に多い地域などを比較NO3‐濃度μmol/Lすることで、この矛盾について議論できると思わ○の⼤きさと⾊で渓流⽔硝酸イオれますが、今のところまだ明確な答えは得られて濃度（単位はμmol/L）が表されていません。
る。⼟壌硝酸イオンと降⽔硝酸イ
人間活動の増大に伴い、降水によって森林にもンの範囲はこれまで報告されていたらされる窒素の量が増大しており、これまで足⽂献値などから類推されたものでりなかった窒素が余っている森林（窒素飽和林）る。というものが報告されるようになっています（徳地ら 2011）。窒素飽和林では植物や微生物が窒素を使い切れないので、渓流水中に多くの窒素が含まれると考えられますが、では、その中には降水由来の窒素は多く含まれるのでしょうか？
3

ここでも硝酸イオンについて考えて見ます。素直に考図 3．様 々な森林の渓流水中に含まれる硝酸イオンの濃度とその窒素・酸素安定同位体比（木庭ら、未発表データ）○の大きさと色で渓流水硝酸イオン濃度（単位は μ mol/L）が表されている。土壌硝酸イオンと降水硝酸イオンの範囲はこれまで報告されている文献値などから類推されたものである。

えると、大量の降水由来の硝酸イオンがもたらされ、植物にとっては窒素が余っている状態なのであれば、降水由来の硝酸イオンは使われずにそのまま流れるために、渓流水中の硝酸イオンには高い割合で降水由来の硝酸イオンが含まれると考えられます。しかし、図 3 を見てみると、硝酸イオ思われる硝酸イオン濃度が低い森林でも、あまりン濃度が高い場合でもその酸素安定同位体比が高きれいにしていないと思われる、濃度が高い森林い、という傾向は見えてきません。つまり、雨由

でも、雨由来の硝酸イオンが漏れ出てしまってい来の硝酸イオンの割合はたとえ渓流水硝酸イオンる、つまり使い切れていないということを表して濃度が高いところでも上昇しているようには認めいると考えられます。ざっと降水硝酸イオンと土られません。これは、大量にもたらされた降水由壌硝酸イオンの代表的な値をつかって計算してみ来の窒素に影響を受け、土壌中の硝化活性（図 1）

ると、おおよそ 10％程度の降水硝酸イオンがそも上昇しており、結果として降水由来の硝酸イオのまま渓流水へと流れ出ているという試算になりンが、土壌由来の硝酸イオンによって希釈され、ます。

割合としてはあまり上昇しない、ということが生冒頭で述べたように、森林の植物は窒素が足りじているのではないかと考えられています。大量ない状況にあると思われるのに、せっかく降っての降水由来の硝酸イオンと、大量の土壌硝化由来きた、足りない窒素を使い切れずに流してしまうの硝酸イオンが混ざって渓流水に流出してゆく、と言うのは不思議な感じがします。この矛盾につということです。しかし、この部分についても、いては様々な理由が考えられています。たとえばその重要性にもかかわらずまだわかっていない部

雨自体の流出とともに植物や微生物が使えないま分がたくさんあります。なお、降水由来の硝酸イ123

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オンの割合をより正確に算出するためには、酸素文献

安定同位体比の異常、という特別なパラメーター

C. Kendall, E. M. Elliott，S. D. Wankel, Tracing

を特別な測定により計算することが必要ですが、anthropotenic inputs of nitrogen to

この新しいパラメーターを用いた研究も現在進ん

ecosystems, In: Stable Isotopes in Ecology

できています（角皆ら 2010）。

and Environmental Science, Second Edition

硝酸イオンの酸素安定同位体比測定は、今回紹(eds. R. Michener, K. Lajtha), 2007, Blackwell

介した森林の硝酸イオン除去状態の判定だけでな

Publishing Ltd.

く、様々なところで利用されるようになっていま

角皆潤、小松大祐、代田里子、中川書子、野口泉、す。たとえば先に述べたように降水中の硝酸イオ張勁（2010）三酸素同位体組成を指標に用いンの酸素安定同位体比が、その起源物質の酸素安た大気沈着窒素 ― 森林生態系間相互作用の定同位体比の影響を受けることを逆に利用して、定量的評価法．低温科学 68 107‒109．

どのような大気化学プロセスで降水硝酸イオンがhttp://hdl.handle.net/2115/45170

形成されるかを解析したり、その延長として、ど永田俊、宮島利宏（2008）「流域環境評価と安定こで硝酸イオンが生成したかという生成場所を推同位体 ― 水循環から生態系まで」京都大学定したりという研究がなされています。また、硝学術出版会

酸イオンが吸収同化や脱窒によって利用される
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徳地直子、大手信人、臼井伸章、福島慶太郎（2011）16（図 1）と、軽い N や O が選択的に利用される

窒素負荷に伴う森林生態系の窒素循環過程のので（これを同位体分別と呼びます）、これを利検討．日本生態学会誌 61（3）275‒290．

用して、環境中で硝酸イオンの消費が起きている

https://doi.org/10.18960/seitai.61.3_275

かどうかを判定したりすることも可能です。さら木庭啓介（2017）有機野菜は判定できるか ― 硝には作物中の硝酸イオンの酸素安定同位体比か酸イオン同位体比の利用可能性について ―ら、その作物の栽培が無機栽培か有機栽培かを判

現代化学 2017 年 3 月 38‒40.

定できるかもしれません（木庭 2017）。このよう著者情報に、1 つの物質について複数の安定同位体比を測定することで、より細かくその物質の生成・消木庭啓介（京都大学生態学研究セ

費・移動過程などを見ることが可能となります。

ンター教授）1998 年京都大学大学院農学研究科博士課程中退、博今後もますますこのような研究が発展してゆくと士（農学）。京都大学大学院情報考えられます。

学研究科助手、東京工業大学大学院総合理工学研究科講師、東京農工大学共生科学技術研究院特任准教授、農学研究院准教授をへて2016 年より現職。

124（2021 年 3 月 31 日掲載）